IBM хочет построить квантовый компьютер объемом 100 000 кубит

IBM объявила о сотрудничестве с Токийским университетом и Чикагским университетом, чтобы продвинуть квантовые вычисления в область полномасштабной работы, где технология потенциально сможет решать насущные проблемы, которые не под силу ни одному стандартному суперкомпьютеру.

Согласно планам IBM 100 000 кубит будут работать вместе с лучшими «классическими» суперкомпьютерами для достижения новых прорывов в области открытия лекарств, разработке безопасных удобрений и повышения производительности батарей. «Я называю это квантово-ориентированными суперкомпьютерами», — говорит вице-президент IBM по квантовым технологиям Джей Гамбетта.

Квантовые вычисления хранят и обрабатывают информацию, используя уникальные свойства фундаментальных частиц: электроны, атомы и небольшие молекулы могут существовать в нескольких энергетических состояниях одновременно. Это явление известно как суперпозиция. Состояния частиц могут быть связаны, или запутаны, друг с другом. Это означает, что информацией можно управлять новыми способами, чем в классических машинах, что открывает путь к решению целого ряда классически неразрешимых в реальном времени вычислительных задач.

Пока квантовые компьютеры не сделали ничего такого, чего не могли бы сделать стандартные суперкомпьютеры. В основном потому, что у них недостаточно кубит, но и потому, что системы легко нарушаются малейшими возмущениями окружающей среды, так называемым «шумом». Если мощность квантовых систем значительно увеличится, они смогут выделять большую часть своих кубит для исправления ошибок, вызванных шумом.

IBM не первая компания, которая ставит перед собой такие большие цели. Компания Google заявила, что к концу десятилетия планирует создать машину на миллион кубит, но на исправление ошибок уйдет большая часть этой мощности: для вычислений будет доступно только 10 000. Компания PsiQuantum из Пало-Альто, как и Google, также намерена построить квантовый компьютер с миллионом кубит, но она пока не раскрыла ни временной шкалы, ни требований к коррекции ошибок.

Из-за требований к шумоподавлению само по себе указание количества физических кубит еще мало о чем говорит: очень важны особенности построения машины, которые влияют на такие факторы, как устойчивость к шуму и простота эксплуатации. Компании обычно предлагают дополнительные показатели производительности, такие как «квантовый объем» и количество «алгоритмических кубит». В следующем десятилетии достижения в области коррекции ошибок, производительности кубит и программного «смягчения» ошибок, и основные различия между разными аппаратными типами кубит сделают эту гонку особенно захватывающей.

Рекламный ролик IBM о новом квантовом компьютере

В настоящее время кубиты IBM изготавливаются из колец сверхпроводящего металла, которые подчиняются тем же правилам, что и атомы, когда работают при температуре милликельвинов — на ничтожную долю градуса выше абсолютного нуля. Теоретически, эти кубиты могут работать в большом ансамбле. Но согласно собственной «дорожной карте» IBM, квантовые компьютеры этого типа, могут быть масштабированы только до 5 000 кубит. Большинство экспертов считают, что этого недостаточно, чтобы получить большую вычислительную мощность. Чтобы создать действительно мощные квантовые компьютеры, инженерам придется придумать что-то совсем новое.

Одним из из важнейших моментов является гораздо более энергоэффективное управление кубитами. В настоящее время для работы каждого сверхпроводящего кубита IBM требуется около 65 ватт. «Если я хочу сделать 100 000, то мне понадобится целое здание для монтажа, атомная электростанция для питания и миллиард долларов, чтобы сделать одну машину», — говорит Гамбетта. — «Это просто невозможно, да никому и не нужно. Чтобы перейти от 5 000 кубитов к 100 000, нам явно нужны инновации».

IBM уже провела пробные эксперименты, показавшие, что интегральные схемы на основе технологии «комплементарная структура металл-оксид-полупроводник» (КМОП) могут быть установлены рядом с холодными кубитами и могут управлять ими, затрачивая всего десятки милливатт. Гамбетта признает, что технологии, необходимой для квантово-ориентированных суперкомпьютеров, пока не существует: именно поэтому академические исследования являются жизненно важной частью проекта.

В разработке необходимых инноваций участвуют университеты. Исследователи из Токио и Чикаго уже добились значительных успехов в таких областях, как компоненты и коммуникационные инновации, которые могут стать жизненно важными частями конечного продукта, говорит Гамбетта. Он считает, что в следующем десятилетии, вероятно, будет еще много совместных работ между промышленностью и академией: «Мы должны помочь университетам делать то, что у них получается лучше всего». Google придерживается того же мнения: он выделяет 50 миллионов долларов на финансирование исследований в области квантовых вычислений в тех же двух университетах.

Программное обеспечение, работающее на квантовых машинах, также будет иметь жизненно важное значение. «Мы хотим создать индустрию как можно быстрее, и лучший способ сделать это — привлечь людей, разрабатывающих квантовый эквивалент классических библиотек программного обеспечения», — говорит Гамбетта. По его словам, именно поэтому IBM в течение последних нескольких лет работала над тем, чтобы сделать свои системы доступными для академических исследователей: квантовые процессоры IBM могут быть запущены через облако с помощью специально разработанных интерфейсов, которые требуют минимального понимания технических аспектов квантовых вычислений. Гамбетта говорит, что было написано около 2 000 научных работ об экспериментах с использованием квантовых устройств IBM: «Для меня это хороший показатель того, что инновации уже начались».

Нет никакой гарантии, что 100 миллионов долларов, выделенных на этот проект, будет достаточно для достижения цели в 100 000 кубит. «Риск определенно есть», — говорит Гамбетта.

Джо Фитцсаймонс, генеральный директор компании Horizon Quantum (мы писали о работе этой компании), сингапурского разработчика квантового программного обеспечения, согласен с ним. «Вряд ли это будет путешествие по гладкой дороге». Но, добавляет он, это риск, который необходимо принять: «Отрасль должна смириться со страхом неудачи и предпринять попытки преодолеть технические проблемы, стоящие перед крупномасштабными квантовыми вычислениями».